やりたいこと

/dev/gpiomemを操作してLEDをチカチカさせます。
以下のページを参考にさせていただきました。
https://www.ei.tohoku.ac.jp/xkozima/lab/raspTutorial3.html

なるべくナイーブに実装して、GPIO4にLEDを繋いでチカチカさせます。

ソースとか

ソース

main.c

//for printf
#include <stdio.h>
//for O_RDWR, O_SYNC
#include <fcntl.h>
//for mmap
#include <sys/mman.h>
//for sleep, open, close
#include <unistd.h>
//for uint32_t
#include <stdint.h>

#define PERI_BASE    0x20200000
#define BLOCK_SIZE   4096

int main() {

    printf("start\n");

    // ①/dev/gpiomemを開く
    int fd = open("/dev/gpiomem", O_RDWR | O_SYNC);
    if( fd == -1 ) {
        printf("cannot open device file\n");
        return 1; 
    }

    // ②物理アドレス 0x20200000 を仮想アドレスにマッピング
    void *gpiomem = mmap(NULL, BLOCK_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, PERI_BASE);
    if( (long)gpiomem == -1 ) {
        printf("cannot mmap gpio mem\n");
        return 1;
    } 
    close(fd);
    volatile uint32_t *gpio = (uint32_t*)gpiomem; 

    // ③GPIO4に対応するGPFSELのビット列（3bit）を出力（0b001）に設定
    gpio[0]  = 0b00000000000000000001000000000000;
    for(int i = 0; i < 10; ++i) {
        // ④GPIO4に対応するGPSETを1にする（Highを出力）
        gpio[7]  = 0b00000000000000000000000000010000;
        sleep(1);
        // ⑤GPIO4に対応するGPCLRを1にする（Lowを出力）
        gpio[10] = 0b00000000000000000000000000010000;
        sleep(1);
    }

    printf("end\n");

    return 0;
}

コンパイル

gcc main.c

実行

./a.out

解説

①/dev/gpiomemを開く

物理メモリの特定のアドレスに特定の値を書き込むとそれがGPIOへの命令と解釈されて、GPIOを操作することができます。
Linuxのプロセスからメモリは通常、仮想メモリとしてしか見えません。物理メモリの特定のアドレスにアクセスするためにLinuxは物理メモリへのアクセス経路としてデバイスファイルの/dev/memを用意してくれています。このファイルの先頭が0x00000000の物理アドレスに対応していて、このファイルの特定のアドレスにwirteしてあげると、物理メモリの対応するアドレスに書き込まれます。
通常、この/dev/memはroot所有になっているので通常ユーザからはアクセスできません。RaspberryPiOSでは通常ユーザから物理メモリへアクセスできるようにするため、同じ意味合いの/dev/gpiomemを用意してくれています。
おそらく、/dev/memと/dev/gpiomemは同じもので権限が異なるだけだと思われます。

②物理アドレス 0x20200000 を仮想アドレスにマッピング

Linuxにはファイルのread/writeをメモリへのread/writeに対応させるmmapというシステムコールが用意されてます。
これを/dev/gpiomemに対して呼び出して、仮想メモリ上に/dev/gpiomemの内容を展開するイメージです。
GPIOへの命令は0x20200000以降のアドレスに書き込むので、0x20200000からmmapします。

③GPIO4に対応するGPFSELのビット列（3bit）を出力（0b001）に設定

gpip[0]〜gpio[3]の各ビットがGPIOピンごとの3bitのGPFSELという命令に対応しています。
"出力"とか"入力"などのどういうふうにGPIOを使うかの設定を行うことができます。
今回は、GPIO4を出力ピンとして使用したいので、対応するビットに0b001を書き込みます。

④GPIO4に対応するGPSETを1にする（Highを出力）

gpio[7]の各ビットがGPIOピンごとのHigh出力命令に対応しています。
ここでは、GPIO4にHighを出力するので、対応するビットに0b1を書き込みます。

⑤GPIO4に対応するGPCLRを1にする（Lowを出力）

gpio[10]の各ビットがGPIOピンごとのLow出力命令に対応しています。
ここでは、GPIO4にLowを出力するので、対応するビットに0b1を書き込みます。